基于HYDRUS模型的盐碱地土壤水盐运移模拟

2017-03-02 08:43:28潘延鑫罗纨贾忠华井思媛李山武迪
干旱地区农业研究 2017年1期
关键词:水盐盐碱地运移

潘延鑫,罗纨,贾忠华,井思媛,李山,武迪

(1.扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225009;2.南昌工程学院水利与生态工程学院,江西南昌330099;3.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西西安710048)

基于HYDRUS模型的盐碱地土壤水盐运移模拟

潘延鑫1,2,罗纨1,贾忠华1,井思媛2,李山3,武迪3

(1.扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225009;2.南昌工程学院水利与生态工程学院,江西南昌330099;3.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西西安710048)

为了解陕西卤泊滩盐碱地的水盐运移情况,基于当地2009—2013年田间水盐监测资料,应用饱和-非饱和土壤水分及溶质运移理论,利用HYDRUS-1D数值模型对当地土壤水分、盐分运移规律进行数值模拟,分析了盐碱地的水盐变化状况,确定合理的田间灌水定额。结果表明:在玉米整个生育期内,不同灌溉处理的土壤含水量变化趋势基本一致,从节水控盐的综合标准衡量,农田灌水定额为500 m3·hm-2时有利于控制土壤盐分的累积。采用HYDRUS-1D模型对盐碱地农田土壤水盐运移的模拟结果与田间试验实测结果基本吻合,该研究结果可为类似盐碱化地区农田水盐管理提供科学依据。

盐碱地;水盐运移;数值模拟;HYDRUS-1D模型

在世界人口增长[1]、全球耕地资源日益减少[2]的大背景下,土壤盐渍化问题[3-6]已成为制约农业可持续发展的一大瓶颈。如何对盐碱地水盐进行有效管理[7-15],从而维持田间水盐平衡[16-19],实现农业生产的可持续发展是当前我国经济发展和环境保护中亟待解决的科学问题。

在一些半干旱、半湿润灌区内,盐碱地治理过程中排水沟由于排水出路受阻,并受到灌溉水或降水、以及来自上游或周边水源补给的影响,使得排水沟周期性地保持较高水位运行,在这种条件下,农田水盐平衡受到影响,农田土壤是否会发生积盐而影响作物正常生长成为关注的焦点。出现了大量关于作物在较高地下水位情况下生长的水盐平衡研究[20-23]。部分研究结果已表明,灌区排水系统运行模式改变后,适当的农田水位管理措施可以满足农业生产可持续发展的要求。

位于陕西省富平县境内的卤泊滩灌区在历史上曾为古湖泊洼地,盐分累积较多,近代被开垦为农田,但盐渍化问题一直很严重[24]。1999年,当地有关部门通过土地平整和健全灌排系统措施,实施了卤泊滩盐碱地深度治理。在治理过程中,受到经济因素和环境保护要求限制,通往滩外的排水干沟未能完成,灌溉季节的排水只能滞留在排水沟和下游一片洼地内。由于地势较低,卤泊滩排水沟系统除了负担本区内的灌溉排水以外,还受到两个上游引黄灌区在灌溉季节退水的影响,沟内水位周期性的升高。近10多年来,区内未发生大面积的盐渍化,种植的玉米、棉花和小麦等农作物生长基本正常。本文为了查明现有排水条件下卤泊滩盐碱地农田土壤水盐运动的基本情况,基于田间原位水盐监测数据,定量研究灌区农田土壤的水盐动态规律,探讨农田水文过程变化对盐分运移的影响,从节水控盐综合标准确定合理的田间灌水定额。以期为类似区域盐碱地水盐调控与管理提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于陕西省蒲城县和富平县交界处的卤泊滩,地理位置为东109°18′~109°42′,北纬34°43′~34°50′,东西长约30 km,南北宽1.5~7 km,总面积8 160 hm2。其中蒲城县内7 067 hm2,占全滩总面积的86.6%,富平县内1 093 hm2,占全滩总面积的13.4%,标准田块为每块不超过4 hm2,南北方向长400m,东西宽100 m。研究区是一个封闭式构造洼地,地形由西北向东南方向倾斜,土壤组成为第四纪松散堆积物,主要由硫酸盐与氯化盐组成,地下水埋深1.8~2.5m,矿化度2.8~3.2 g·L-1,pH值8.3~8.6[25]。区内属于半干旱大陆性气候,多年平均降水量472.9 mm,降雨年内分布极不均匀,多集中在7—9月份,全年蒸发量1 000~1 300 mm,是年降水量的2~2.3倍,年平均气温13.4℃,夏季最高气温41.8℃,年日照时数2 349.5~2 472.0 h,土壤属典型的硫酸盐盐碱土。研究区多年平均蒸发量、降水量分配过程见图1。

图1 多年平均蒸发量、降水量分配过程Fig.1 The temporal distribution of average evaporation and precipitation

1.2 试验区布置

卤泊滩灌区以种植小麦、玉米和棉花等大田作物为主,田间灌水方式以传统的地面灌溉为主,本试验中选择玉米作为研究对象。如图2所示,在卤泊滩盐碱地上游地段选取了两块400 m×100 m农田进行观测,在每个田块中间位置布置了观测断面,每个断面上各布置6只1 m套管(见图2),间隔20 cm设置一个观测点,使用TRIME-PICO IPH TDR逐层进行农田剖面含水量测定,观测期为2013年8月到9月,监测频度为10天一次,观测农田种植作物为玉米。

图2 农田监测点设置Fig.2 The layoutofmonitoring points in the testing fields

1.3 HYDRUS-1D模型简介

HYDRUS-1D模型是由美国国家盐渍土改良中心(USSalinity Laboratory)开发的一套用于模拟变饱和多孔介质中水分、能量、溶质运移的新型数值模型[26]。经改进与完善,得到了广泛的认可与应用[27-28]。该模型能够较好地模拟水分、溶质与能量在土壤中的分布以及时空变化和运移规律,分析人们普遍关注的农田灌溉、田间施肥、环境污染等实际问题。也可与其它地下水、地表水模型相结合,从宏观上分析水资源的转化规律。经过众多学者的开发研究,模型的功能更趋完善,已经非常成功地应用于世界各地地下饱和-非饱和带污染物运移的研究[29-31]。2000年以后才引入我国,并在国内进行了一些初步应用[32-34]。在模拟多孔介质中一维饱和-非饱和水流和盐分运移时水分模拟中考虑了作物根系吸水,盐分运移方程中也包含了离子和分子的扩散、水动力扩散、线性或非线性吸附平衡以及一级衰减,适于模拟恒定或非恒定的边界条件下饱和-非饱和渗流区水、热及多种溶质的迁移状况。具有灵活的输入输出功能,有不同的水含量方程、植物根系作用方程、土壤介质水力参数数据库和不同植物根系作用的数据库可供选择。水分运动的模拟计算采用Richards方程,考虑了作物根系吸水项和土壤持水能力的滞后作用,方程解法采用Galerkin线性有限元法,Inverse Solution模块中的Marquardt-Levnenberg参数优化算法可以反演土壤水和溶质运移、反应动力学参数等。

图3 HYDRUS-1D模型简介Fig.3 Introduction of HYDRUS-1Dmodel

1.3.1 基本方程

(1)土壤水分运动基本方程

以地表为基准面,根据连续性方程和非饱和达西定律并考虑作物根系吸水项,垂直一维土壤水分运动的定解问题可表示为(坐标轴向下为正):

式中,h为土壤基质势(cm);θ为体积含水率(cm3·cm-3);K(θ)为水力传导度(cm·d-1);z为土壤深度,向下为正(cm);t为时间(d);S(z,t)为单位时间单位体积土壤中根系吸水率(d-1)。

土壤水力函数采用Van Genuchten-Mualem公式,其表达形式如下:

式中,θs为土壤饱和含水率(cm3·cm-3);θr为土壤残余含水率(cm3·cm-3);Ks为土壤饱和导水率(cm ·d-1);θe为有效含水率(饱和度);n和α是决定土壤水分特征曲线的形状参数经验参数;l为孔隙关联度参数,一般取平均值0.5。

根系吸水率表示由于根系吸水而在单位时间内从单位体积土壤中流失的水分体积,本文采用Feddes提出的根系吸水模型:

式中,Sp为最大根系吸水速率(d-1),h1、h2、h3和h4分别为根系吸水厌氧点土壤基质势、根系吸水最适点开始和结束土壤基质势、根系吸水萎蔫点土壤基质势。

(2)土壤溶质运动基本方程

以土壤可溶盐为研究对象,水流方程为基础,以土壤水电导率为主要指标,根据多孔介质溶质运移理论,若不考虑土壤盐分的溶解和被吸附的浓度S,建立饱和-非饱和土壤溶质运移对流和水动力弥散(分子扩散与机械弥散)数学模型。

式中,c为土壤溶液浓度(ms·cm-1);θ为体积含水量(cm3·cm-3);D为水动力弥散系数(cm2·d-1);q为渗透流速(cm·d-1)。

1.3.2 初始条件和边界条件

(1)土壤水分运动的初始条件与边界条件

土壤水分上边界采用通量已知的第二类边界条件,逐日输入通过上边界的变量值,包括降水量、灌溉量、作物潜在蒸腾量和棵间潜在蒸发量,叶面拦截雨量忽略不计。由于表层导水率较大,即使有强度降雨或灌溉发生也会很快入渗,因此地面径流忽略不计。直接赋于实测降水量和蒸发量,而作物蒸腾采用根系吸水模块。下边界选在农田土壤剖面100 cm处,使用变压力水头边界,根据实测的地下水埋深(换算成压力水头)赋值。

(2)土壤溶质运动的初始条件与边界条件

土壤盐分模型上边界概化为通量边界,试验期降水时,由于雨水电导率非常小,降雨含盐浓度赋值为0,模型预测灌溉时赋实测的灌溉水电导率;下边界为浓度边界,赋实测的地下水电导率值。本文根据大田试验的监测数据,土壤溶液浓度采用土壤溶液电导率值来反映,其单位为ms·cm-1,上、下边界所涉及的降水、灌溉以及地下水的浓度全部采用试验期实测的电导率来反映。

式中,θ0为土壤初始含水率(cm3·cm-3);θs为土壤饱和含水率(cm3·cm-3);Ks为土壤饱和导水率(cm·d-1);qs为地表水分通量(cm·d-1),蒸散取正值,灌溉与降水入渗取负值;c0为剖面初始土壤水电导率(ms·cm-1);cs为上边界流量的电导率值,当边界流量为土壤水蒸散量或降水量时,cs=0,当边界流量为灌溉水量时指灌水电导率值(ms·cm-1);cb为下边界潜水电导率值(ms·cm-1)。

2 模型参数率定与验证

2.1 模型参数率定

土壤水力参数根据实测土壤粒径组成,由Rosetta模型[35]初值给定参数初值,然后通过试验区2009年生育期试验实测数据进行参数拟合,确定主要特征参数数值,表1给出了调整后的Van-Genuchten-Mualem公式中各个土壤水力参数值。

表1 土壤水分特性的VG模型参数Table 1 The hydraulics properties of test soilbased on the parameters of Van Genuchtenmodel

水动力弥散系数等于多孔介质中分子扩散系数(Ds)及机械弥散系数(Dh)之和。

一般将溶质在土壤中的分子扩散系数(Ds)仅表示为土壤含水量的函数,与溶质浓度无关,常采用经验公式式中,D0为溶质在自由水体中的扩散系数(cm· d-1);b为经验常数。

机械弥散系数(Dh)与平均孔隙流速的一次方成正比,表示为

式中,Dh为机械弥散系数(cm2·d-1);v为平均孔隙流速(cm·d-1);λ为弥散度经验常数(cm)。

Bresler用数值模拟计算验证了Warrick等所做的田间咸水灌溉和淡水冲洗条件下的土壤水盐动态试验,本文参照Bresler所用的模拟参数,即D0=0.04 cm2·d-1。土壤空隙渗流速度(q/θ)是根据水盐耦合模型中水分运移模块计算求得;τ为弯曲度因子,常表示为土壤体积含水率的函数,这里弯曲系数τ取2。

由于该模型大多参数难以实测获得,故参考HYDRUS-1D模型中数据库提供数值。从土壤含水率的角度来说,当土壤含水率大于毛管破裂含水率而小于田间持水率时植物易吸收水分,而当土壤含水率大于凋萎含水率而小于毛管破裂含水率时,或土壤含水率趋于饱和时,植物吸水都比较困难。试验区种植玉米,其吸水参数取值见表2。

表2 玉米吸水参数取值Table 2 Assignmentof the rootwater uptake parameters

2.2 模型可靠性验证

采用试验区2013年玉米生育期实测土壤含水率和土壤电导率(EC)值数据对模型进行验证,如图4、5所示,通过数值模拟与实测结果的对比,验证所建立数值模型的合理性。

2.3 模型应用评价

表3显示了土壤含水量、电导率(EC)模拟值与实测值进行两配对样本T检验(表3)验证模型的精度,其中检验的样本数量为64。结果表明:土壤含水量和电导率配对T检验的显著性水平P值均不在置信区间(α=0.05),说明土壤含水率和电导率的模拟值与实测值均无显著差异,模拟效果可以接受,参数较为可靠,可用于实际模拟应用。

图4 土壤剖面含水率模拟值与实测值对比Fig.4 Comparison between the experiment results and the simulated results of soilwater content

图5 土壤剖面电导率(EC)模拟值与实测值对比Fig.5 Comparison between observed and simulated value of electrical conductivity(EC)at different soil layers

表3 HYDRUS-1D模型模拟统计量Table 3 The statistics of HYDRUS-1Dmodel simulation

3 情景模拟

模型模拟地下0~100 cm深度范围土壤,模拟时段从2009年6月25日至10月18日,共计116 d,采用变时间步长剖分方式,据收敛迭代次数调整时间步长。设定初始时间步长为0.1 d,最小步长为0.01 d,最大步长为5 d;土壤含水量允许偏差为0.0005,压力水头允许偏差为1 cm。结合当地农业生产实际的田间灌水定额,利用验证的田间水盐运移模型,分别对4种情景(灌水定额0、400、500、600 m3·hm-2)下的土壤水盐运移进行模拟,确定合理田间灌水定额。

3.1 不同情景下土壤剖面含水率分布

图6显示了不同灌溉处理的土壤含水量分布。由图6可以看出,在玉米整个生育期内,不同灌溉处理的土壤含水量变化趋势基本一致。但是从不同土壤深度来看,表层土壤0~20 cm平均含水量约为0.25 cm3·cm-3,随着土壤深度的增大,土壤含水量有增大趋势,90 cm的土壤含水量约为0.29 cm3·cm-3,比0~20 cm的土壤含水量大,与上层土壤相比,90 cm土壤含水量基本维持稳定,受灌溉影响较小。

3.2 不同情景下土壤剖面含盐量分布

图7显示了不同灌溉处理不同时期各土层土壤EC值分布状况。由图7可知,在玉米整个生育期内,不同灌溉处理的表层土壤0~20 cm土壤盐分增加明显,随着土壤深度的增大,土壤盐分含量有增大趋势,90 cm的土壤盐分在玉米生长期末有一定的累积趋势,随着灌水定额的增大盐分累积的趋势有所减少。

联合国粮农组织对作物耐盐极限与产量潜力响应关系研究证明,不同产量潜力所要求的作物耐盐极限值各不相同。对于本研究的作物玉米来讲,当要求的产量潜力为100%时所对应的玉米耐盐阈值为根区土壤浸提液电导率值1.7 ms·cm-1。不同情景灌水定额显示出灌水可以使土层90 cm处的盐分维持在0.7 ms·cm-1这样一个稳定土壤环境,从节水控盐的综合标准衡量,农田灌水定额为500 m3· hm-2时有利于控制土壤盐分的累积。

4 结论

1)利用HYDRUS-1D模型对卤泊滩盐碱地农田土壤剖面水盐分布特征及土壤水盐运移时空变异规律进行模拟,经田间试验实测数据验证,结果表明,模型能够较好地模拟水盐在土壤中的分布和随时间变化的趋势,可以用于模拟灌区农田水盐运移规律。

2)在玉米整个生育期内,不同灌溉处理的土壤含水量变化趋势基本一致,表层土壤0~20 cm平均含水量约为0.25 cm3·cm-3,90 cm土壤含水量约为0.29 cm3·cm-3,土壤含水量随着灌水定额的增大而增大。

图6 不同情景模拟土壤各土层含水量变化Fig.6 The dynamic simulations of soilwater contentat different soil layers under different irrigation quota

图7 不同情景模拟各土层电导率(EC)变化Fig.7 The dynamic simulations of soil electrical conductivity(EC)at different soil layers under different irrigation norms

3)土壤盐分在土层90 cm处有累积的趋势,随着灌水定额的增大盐分累积的趋势有所减小。从节水控盐的综合标准衡量,采用合理的田间灌水定额500m3·hm-2时有利于控制土壤盐分的累积。

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The simulation of water and salt transportation by HYDRUSmodel in Lubotan of Shaanxi,China

PAN Yan-xin1,2,LUOWan1,JIA Zhong-hua1,JING Si-yuan2,LIShan3,WU Di3
(1.School of Hydrɑulic,Energyɑnd Power Engineering,Yɑngzhou University,Yɑngzhou,Jiɑngsu 225009,Chinɑ;2.College ofWɑter Conservɑncyɑnd Ecologicɑl Engineering,Nɑnchɑng Institute of Technology,Nɑnchɑng,Jiɑngxi 330099,Chinɑ;3.Stɑte Key Lɑborɑtory of Eco-Hydrɑulic Engineering in Shɑɑnxi,Xi’ɑn University of Technology,Xi’ɑn,Shɑɑnxi 710048,Chinɑ)

To determine themovement of salt and water in the saline-alkali flatland of Lubotan,Shaanxi province,based on the saturated-unsaturated soilwater and solute transport theory,fieldmonitoring data of localwater and salt for many yearswas applied to simulate the rules of local soil water and saltmovement,using the HYDRUS 1D numerical model.The soilwater and salt changeswere analyzed,and the reasonable field irrigation quotawas proposed.The results showed thatduring thewhole reproductive period,soilwater contenthad a similar variation trend under different irrigation quotas.Consideringwater saving and salt control,farmland irrigation quota of500m3·hm-2is reasonable to control salt accumulation in soil.The simulated results of soilwater and saltmigration using HYDRUSmodel are basically consistent with the observed values in field experiment,and the results can be referred for farmlandmanagementofwater and salt in semblable salinity regions.

saline-alkali land;water and salt transportation;numerical simulation;HYDRUS 1Dmodel

S156.4;S274

:A

1000-7601(2017)01-0135-08

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.01.21

2016-01-30

国家自然科学基金(51279159);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD);江西省科技厅科技支撑计划项目(20151BBF60012)

潘延鑫(1985—),男,甘肃靖远人,讲师,主要从事农田排水与水环境保护研究。E-mail:yanxinpanxaut@126.com。

罗纨(1967—),女,新疆霍城人,教授,主要从事农业水资源保护研究。E-mail:luowan@yzu.edu.cn。

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